高 峰

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系，江蘇南通 226010）

船用智能柴油機(jī)取消了傳統(tǒng)的凸輪軸對(duì)其核心時(shí)序的機(jī)械控制，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控。計(jì)算機(jī)監(jiān)控不但可根據(jù)柴油機(jī)工況對(duì)其參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以保證其始終工作在最高效狀態(tài)下，還可與先進(jìn)的主機(jī)遙控系統(tǒng)（如AC C20）實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接。智能柴油機(jī)的自身監(jiān)控及其遙控技術(shù)均屬網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控范疇，但應(yīng)用時(shí)間還不長(zhǎng)，資料較少，某些機(jī)電管理人員還知之不多。故在此介紹瓦錫蘭（Wartsila）Sulzer RT-flex系列智能柴油機(jī)的實(shí)船應(yīng)用，并提出維護(hù)管理建議。

1 RT-flex智能柴油機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為了改善柴油機(jī)的低負(fù)荷性能、降低排放，減少對(duì)大氣的污染，瓦錫蘭（Wartsila）在傳統(tǒng)機(jī)型Sulzer RTA 系列的基礎(chǔ)上推出了Sulzer RTflex系列智能柴油機(jī)［1］，如圖1 所示。這種智能柴油機(jī)取消了傳統(tǒng)凸輪軸及其他相關(guān)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，增設(shè)了20MPa的伺服油共軌系統(tǒng)、100MPa燃油共軌系統(tǒng)和綜合控制系統(tǒng)（Wartsila Engine Control System，WECS）。

燃油（fuel HFO／MDO）共軌（common rail）總管的作用是為燃油的噴射提供較高且穩(wěn)定的壓力，從而避免柴油機(jī)在低負(fù)荷和低轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)噴射異常，影響柴油機(jī)的工況。伺服油（servo oil）的作用主要是為燃油的噴射、排氣閥的啟閉提供執(zhí)行動(dòng)力。柴油機(jī)及共軌系統(tǒng)的監(jiān)控均由綜合控制系統(tǒng)WECS來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 RT-flex智能柴油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 伺服油共軌系統(tǒng)

2.1 伺服油共軌

各缸伺服油壓力一致則稱(chēng)為伺服油共軌。伺服油本質(zhì)是經(jīng)過(guò)一次附加過(guò)濾的主機(jī)潤(rùn)滑油。如圖2所示，過(guò)濾后的滑油經(jīng)伺服油泵單元增壓并駁至伺服油共軌總管。伺服油泵單元主要有機(jī)帶泵和電動(dòng)泵（圖2中未示出），智能機(jī)運(yùn)行時(shí)采用機(jī)帶泵，啟動(dòng)前可采用電動(dòng)泵。伺服油泵單元具有內(nèi)部壓力控制功能，WECS根據(jù)安裝在共軌總管的壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其壓力，并結(jié)合智能機(jī)的工況實(shí)現(xiàn)伺服油壓力的控制。柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，共軌壓力保持20MPa左右，停車(chē)時(shí)為5MPa。另外，伺服油共軌總管還裝有安全閥、穩(wěn)壓閥，以防壓力波動(dòng)和壓力異常。

2.2 伺服油的功能

智能機(jī)的噴油、排氣等核心時(shí)序的控制最終由綜合控制系統(tǒng)WECS 實(shí)現(xiàn)，但WECS 無(wú)法提供排氣閥、噴油閥啟閉所需的執(zhí)行動(dòng)力。執(zhí)行動(dòng)力則由20MPa的伺服油提供。伺服油主要功能有：

（1）為排氣閥啟閉提供動(dòng)力。排氣時(shí)，WECS控制排氣執(zhí)行器中的排氣電磁閥得電（圖2），20MPa伺服油推動(dòng)排氣閥閥芯下移，打開(kāi)排氣閥排氣；排氣結(jié)束，排氣電磁閥失電，排氣閥閥芯上部的伺服油泄放，排氣閥在彈簧的作用下自動(dòng)關(guān)閉。

圖2 伺服油共軌系統(tǒng)

（2）為燃油噴射閥啟閉提供動(dòng)力。噴油時(shí)，WECS通過(guò)相應(yīng)電磁閥接通20MPa伺服油，由伺服油提供足夠的動(dòng)力接通燃油噴射閥，從而使高壓燃油噴入各缸燃燒室（圖4）。

圖3 燃油共軌系統(tǒng)

圖4 燃油噴射裝置

3 燃油共軌系統(tǒng)

3.1 燃油共軌

傳統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)采用凸輪軸驅(qū)動(dòng)高壓油泵，由高壓油泵將燃油直接噴入各缸燃燒室。凸輪軸固有不變的機(jī)械化動(dòng)作使得噴油正時(shí)及噴油質(zhì)量易受主機(jī)工況變化的影響，從而導(dǎo)致噴射異常，特別是低速、低負(fù)荷時(shí)性能惡化。RT-flex智能機(jī)采用各缸壓力恒定的燃油共軌系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的燃油噴射系統(tǒng)，保證噴射質(zhì)量不受工況變化的影響，從而使各工況下的噴油效果達(dá)到最佳。

燃油共軌系統(tǒng)主要由機(jī)帶供油單元、高壓燃油共軌總管和燃油噴射裝置組成（如圖3所示），RT-flex智能機(jī)取消了各缸的高壓噴油泵，增設(shè)了一套由4至6個(gè)機(jī)帶柱塞增壓泵組成的供油單元。供油單元將燃油增壓并送至高壓燃油共軌總管。因?yàn)橐后w的不可壓縮性，主機(jī)沖車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)共軌總管壓力即可達(dá)到70MPa，啟動(dòng)過(guò)程中壓力即可提高至100MPa左右［2］。

高壓燃油共軌總管向各缸噴油裝置提供壓力穩(wěn)定的高品質(zhì)燃油，其壓力由WECS控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)主機(jī)工況維持在100MPa左右。

3.2 燃油噴射

智能柴油機(jī)每缸各配一套燃油噴射裝置，作為燃油噴射的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。燃油噴射裝置如圖4所示。WECS控制伺服油油路通斷，伺服油控制燃油油路的通斷。具體過(guò)程如下：

（1）非燃油噴射時(shí)刻，WECS 控制燃油共軌閥下位通，則噴射閥控制端的伺服油泄放，噴射閥下位通；噴油器管路被截止而停止噴射，共軌總管中的100MPa高壓燃油經(jīng)噴射閥下位注入柱塞式量油缸等待。

（2）燃油噴射時(shí)刻，WECS 控制燃油共軌電磁閥上位通，20MPa伺服油注入噴射閥控制端，噴射閥上位通；共軌總管高壓油路被截止，油缸中的高壓燃油經(jīng)噴射閥上位，分別送至3個(gè)噴油器霧化進(jìn)入燃燒室。

4 綜合控制系統(tǒng)（WECS）

4.1 WECS

RT-flex智能柴油機(jī)采用無(wú)凸輪軸機(jī)構(gòu)的全計(jì)算機(jī)控制，整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行最終由WECS 實(shí)現(xiàn)。其版本已由最初裝船運(yùn)行的WECS-9500 升級(jí)為WECS-9520。它主要實(shí)現(xiàn)共軌燃油壓力、共軌伺服油壓力的控制及主機(jī)、氣缸相關(guān)功能的管理，其中包括檢測(cè)主機(jī)狀態(tài)、調(diào)整主機(jī)參數(shù)以及控制氣缸的噴射時(shí)間、噴油量、排氣時(shí)間，使主機(jī)始終處于高效、低排放的最佳狀態(tài)。

RT-flex智能柴油機(jī)的監(jiān)測(cè)與控制是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，若采用單臺(tái)計(jì)算機(jī)控制則無(wú)法保證可靠性及靈活性，因此WECS-9520采用模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的完全分布式理念，讓實(shí)現(xiàn)不同功能的計(jì)算機(jī)模塊通過(guò)雙冗余CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，形成一個(gè)多計(jì)算機(jī)完全分布式的控制網(wǎng)絡(luò)。CAN 總線可提供最高達(dá)1Mbps的帶寬，雙冗余設(shè)計(jì)使兩組CAN 總線互為熱備份；整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和可靠性兼?zhèn)洹＞W(wǎng)絡(luò)中的模塊還具有一定的獨(dú)立性，單個(gè)模塊故障不至于導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。

圖5 WECS系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

如圖5所示，WECS網(wǎng)絡(luò)主要由主控制單元和氣缸控制單元組成。主控制單元主要由兩個(gè)互為熱備份的主控模塊組成，其中一主控模塊運(yùn)行，另一主控模塊處于熱備份狀態(tài)，運(yùn)行模塊故障則熱備份模塊無(wú)延時(shí)投入。主控模塊接收外部信號(hào)指令（主機(jī)遙控系統(tǒng)、柴油機(jī)操作面板等）并結(jié)合主機(jī)當(dāng)前工況，實(shí)時(shí)地改變參數(shù)并對(duì)氣缸控制單元進(jìn)行管理與控制。氣缸控制單元接收柴油機(jī)傳感器信號(hào)，處理后送至主控模塊；并根據(jù)主控模塊指令控制各缸執(zhí)行器，從而控制柴油機(jī)運(yùn)行。

4.2 工況監(jiān)測(cè)

智能柴油機(jī)取消了凸輪軸機(jī)構(gòu)，即取消了按固有程序運(yùn)行的排氣、噴油時(shí)序。要實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣、噴油的時(shí)序控制，則必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)活塞的位置?；钊恢脜?shù)可由曲柄角度編碼器檢測(cè)到的曲軸位置推算得到。曲軸的位置信號(hào)關(guān)乎柴油機(jī)核心時(shí)序控制，必須保證無(wú)限可靠和極高精度。因此曲軸編碼器采用雙冗余設(shè)計(jì)，兩個(gè)編碼器檢測(cè)信號(hào)送入氣缸控制單元進(jìn)行比較，偏差越限則報(bào)警；即使偏差正常，該參數(shù)還需與飛輪端的轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行比較，必要時(shí)還需通過(guò)軟件補(bǔ)償和校正。

除曲軸角度編碼器外，智能柴油機(jī)還需裝設(shè)檢測(cè)各缸執(zhí)行器狀態(tài)、共軌系統(tǒng)狀態(tài)及噴油量的多種傳感器。傳感器信號(hào)均送入氣缸控制單元進(jìn)行處理，并匯總于主控模塊中，主控模塊以此對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行綜合控制。同時(shí)主控模塊還通過(guò)CAN總線送至位于集控室的更專(zhuān)業(yè)的工況監(jiān)測(cè)單元—WECS輔助單元中。

4.3 燃油噴射控制

燃油共軌系統(tǒng)在WECS的主控模塊控制下，為燃油噴射裝置準(zhǔn)備了適合主機(jī)實(shí)時(shí)工況的高壓燃油。主控制模塊根據(jù)調(diào)速器送來(lái)的燃油量指令，并結(jié)合主機(jī)當(dāng)前工況向各氣缸控制單元發(fā)送油量信號(hào)。氣缸控制單元根據(jù)主控模塊的油量信號(hào)控制噴油裝置中油缸的活塞位置（見(jiàn)圖4），從而決定噴油量；并根據(jù)柴油機(jī)噴油延時(shí)、VIT 計(jì)算出噴油提前角，驅(qū)動(dòng)圖4中的共軌電磁閥，從而控制燃油噴射。

低負(fù)荷時(shí)除減小油缸的容積和噴油器的數(shù)量外還可改變噴油的方式（如由連續(xù)噴射變?yōu)槊}沖式噴射）。燃油噴射的靈活性是保證低負(fù)荷最優(yōu)運(yùn)行的關(guān)鍵，即使柴油機(jī)由最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的10%仍可保持無(wú)煙運(yùn)行。

4.4 排氣閥啟閉控制

氣缸控制模塊根據(jù)活塞的實(shí)時(shí)位置控制排氣閥的開(kāi)啟與閉合。排氣時(shí)刻，氣缸控制單元驅(qū)動(dòng)排氣執(zhí)行器中的電磁閥（圖2），由伺服油驅(qū)動(dòng)排氣閥開(kāi)啟。低負(fù)荷時(shí)伺服油共軌中的壓力在主控制模塊的控制下有所降低，使排氣閥的啟閉速度與負(fù)荷相適宜，從而使柴油機(jī)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。

5 智能柴油機(jī)的遙控

5.1 WESC與AC C20集成

為了實(shí)現(xiàn)在駕駛臺(tái)和集控室對(duì)智能柴油主機(jī)的遙控，還需裝設(shè)主機(jī)遙控系統(tǒng)。KONGSBERG推出的AutoChief C20（簡(jiǎn)稱(chēng)AC C20）主機(jī)遙控系統(tǒng)是當(dāng)前最先進(jìn)且應(yīng)用最廣的產(chǎn)品之一。它不但適用于主流傳統(tǒng)機(jī)型的遙控，還兼容主流智能機(jī)的遙控。AC C20主機(jī)遙控系統(tǒng)也是基于雙冗余CAN 總線的多計(jì)算機(jī)完全分布式控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和硬件連接均同WECS一致，因此完全可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫集成。

如圖6 所示，AC C20 主機(jī)遙控系統(tǒng)主要由駕駛臺(tái)操縱單元（BMU）、集控室操縱單元（CMU）、機(jī)旁車(chē)鐘、主機(jī)接口單元（MEI）、數(shù)字調(diào)速單元（DGU）和安全保護(hù)單元（ESU）等DPU 模塊組成［3］。BMU 由ACP 面板和單手柄復(fù)合車(chē)鐘（集傳令和操控于一體）組成，用于駕駛臺(tái)對(duì)智能機(jī)的自動(dòng)遙控；CMU 則位于集控室，功能和結(jié)構(gòu)同BMU 完全一致。機(jī)旁車(chē)鐘則不同于BMU、CMU 中的單手柄復(fù)合車(chē)鐘，其僅具有傳令功能，遙控失效時(shí)接收并顯示駕駛臺(tái)車(chē)令，輪機(jī)員回令后據(jù)此在機(jī)旁面板上操作主機(jī)。MEI主要實(shí)現(xiàn)遙控系統(tǒng)與智能機(jī)專(zhuān)用操縱系統(tǒng)DENIS（Diesel Engine Interface by Sulzer）-9的連接。DGU 主要實(shí)現(xiàn)車(chē)鐘對(duì)智能機(jī)的調(diào)速以及自動(dòng)安保減速控制。ESU 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)安保停車(chē)。

AC C20的DPU 模塊均掛接在CAN 總線網(wǎng)絡(luò)上，并與WECS-9520形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)遙控系統(tǒng)與智能柴油機(jī)綜合控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，從而達(dá)到無(wú)縫遙控的目的。

圖6 WECS與ACC20網(wǎng)絡(luò)集成

AC C20主機(jī)遙控系統(tǒng)應(yīng)用于智能柴油機(jī)的遙控是過(guò)渡時(shí)期的理性選擇。AC C20是經(jīng)典遙控系統(tǒng)AC-4的升級(jí)產(chǎn)品，其傳統(tǒng)柴油機(jī)遙控應(yīng)用廣泛，至少其操作為多數(shù)遠(yuǎn)洋輪機(jī)員所熟悉。而AC C20與WECS的無(wú)縫集成，可使通過(guò)AC C20對(duì)智能機(jī)的遙控與傳統(tǒng)機(jī)型的操作基本相同。智能機(jī)的遙控主要包括換向、啟／停等邏輯控制和轉(zhuǎn)速的過(guò)程控制，操作方式幾乎與傳統(tǒng)機(jī)型無(wú)異，在內(nèi)部技術(shù)實(shí)現(xiàn)上卻相差甚遠(yuǎn)。

5.2 邏輯控制

（1）換向：取消凸輪軸后換向邏輯則更為簡(jiǎn)單，駕駛臺(tái)或集控室發(fā)送的換向指令通過(guò)CAN總線送至智能柴油的主控模塊，由主控模塊重新調(diào)整各缸發(fā)火時(shí)序即可。

（2）啟動(dòng)：接到駕駛臺(tái)或集控室車(chē)鐘發(fā)出的啟動(dòng)邏輯指令后，MEI單元控制氣動(dòng)閥箱中主啟動(dòng)閥開(kāi)啟，使3MPa壓縮空氣到各缸缸頭等待；智能機(jī)主控模塊聯(lián)合各氣缸控制單元取代傳統(tǒng)機(jī)空氣分配器的工作，控制各缸頭氣動(dòng)閥的啟閉；DGU調(diào)速單元?jiǎng)t為發(fā)火準(zhǔn)備好啟動(dòng)供油量。

（3停車(chē)：接收到駕駛臺(tái)或集控室發(fā)出的停車(chē)指令后，主控模塊和氣缸控制單元?jiǎng)t控制斷油停車(chē)，并使共軌壓力復(fù)位至停車(chē)狀態(tài)；另外，CAN 總線及其它模塊的相關(guān)參數(shù)也復(fù)位至停車(chē)狀態(tài)。

5.3 轉(zhuǎn)速控制

駕駛臺(tái)或集控室的轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)送入DGU調(diào)速單元后先經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速限制環(huán)節(jié)，進(jìn)行加／減速率限制、程序負(fù)荷、輪機(jī)長(zhǎng)最大轉(zhuǎn)速限制、最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速限制、臨界轉(zhuǎn)速避讓等預(yù)處理后，作為轉(zhuǎn)速設(shè)定值與實(shí)際轉(zhuǎn)速測(cè)量值比較形成偏差，該偏差經(jīng)PID（比例微分積分）算法或其它智能算法處理后形成供油量參數(shù)；供油量參數(shù)經(jīng)供油量限制環(huán)節(jié)，如輪機(jī)長(zhǎng)最大供油量限制、轉(zhuǎn)矩限制、增壓空氣壓力限制等選小算法后，通過(guò)CAN 總線發(fā)送至主控模塊，主控模塊再結(jié)合當(dāng)前工況予以修正，并分散至各氣缸控制單元，從而最終形成智能機(jī)的燃油量信號(hào)（量油缸的活塞位置信號(hào)）。

6 維護(hù)與管理建議

RT-flex系列智能柴油機(jī)及其遙控內(nèi)容涵蓋熱動(dòng)裝置、液壓、氣動(dòng)、傳感器、計(jì)算機(jī)控制、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科知識(shí)，對(duì)機(jī)電管理人員而言具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，建議對(duì)如下方面特別注意：

（1）液壓共軌：RT-flex智能機(jī)增設(shè)20MPa伺服油和100MPa燃油的共軌，壓力高且管路復(fù)雜，應(yīng)認(rèn)真閱讀智能機(jī)專(zhuān)用操縱系統(tǒng)DENS-9中的液壓管線圖，經(jīng)常檢查液壓管路的密封性能，避免泄露，同時(shí)要保證進(jìn)入共軌前的細(xì)濾器的清潔，避免堵塞［4］；

（2）傳感器與電磁閥：RT-flex智能機(jī)在取消凸輪軸采用計(jì)算機(jī)控制的同時(shí)，各缸增設(shè)了相當(dāng)數(shù)量的電磁閥和傳感器，其線路在船舶惡劣環(huán)境下故障率較高，應(yīng)周期性地檢查其線路及其絕緣。故障發(fā)生時(shí)一般可首先鎖定相應(yīng)的傳感器和電磁閥；

（3）CAN 總線網(wǎng)絡(luò)：各功能模塊間除了通過(guò)CAN 總線共享數(shù)據(jù)外還有部分開(kāi)關(guān)量或RS-422／485通信。應(yīng)通過(guò)系統(tǒng)接線圖弄清模塊間的信號(hào)關(guān)系，并推演I／O 信號(hào)設(shè)計(jì)形式，故障時(shí)可借助萬(wàn)用表和示波器檢測(cè)，根據(jù)測(cè)得的信號(hào)形式與設(shè)計(jì)信號(hào)形式對(duì)比，進(jìn)行故障診斷。必要時(shí)可斷電更換模塊接口、傳感器、電磁閥；若模塊損壞，判斷模塊廠商（KONGSBERG 或Wartaila），并及時(shí)與之取得聯(lián)系。

7 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)船使用表明，Sulzer RT-flex系列智能柴油機(jī)采用靈活的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)，降低了排放，改善了低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的性能，還可方便地與主流主機(jī)遙控系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。然而，為了檢測(cè)其工作狀態(tài)需增設(shè)大量的傳感器，在機(jī)艙環(huán)境下傳感器是其主要故障源，且故障率較高。因此，其傳感器檢測(cè)技術(shù)及工藝還須進(jìn)一步提高。

1 林葉錦等.船舶自動(dòng)化［M］.大連海事大學(xué)出版社，2012

2 Wartsila.SulzerRT-flexDieselEngineInstructionBook［EB／OL］.www.wartisila.com，2012.

3 KONGSBERG.AutoChiefC20InstructionMunual［EB／OL］.www.KONGSBERG.com，2010.

4 左春寬等.船舶動(dòng)力裝置［M］.大連海事大學(xué)出版社，2012.